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    介绍了国内外防弹衣研究进展

    发布时间:2018-12-09 01:06:01

    摘要:介绍了国内外防弹衣研究进展,探讨了防弹衣纤维及材料、织物组织及织造工艺、服装结构,以及散热系统对防弹衣减重及服用舒适性的优化改良,展望了防弹衣人性化设计理念的发展前景。

       关键词:防弹衣;织造;舒适性;前景

        防弹服根据式样分为背心式、夹克式、套头式3种。现今防弹服主要是指防弹背心,主要由防弹内外层织物和防弹层2部分组成。防弹内外层常用天然纤维及化纤制作,具有覆盖和?;し赖愕淖饔?,有的也具有一定的防弹作用。从实用角度和商业角度考虑,目前的防弹背心内外层织物的开发将向着高功能化、舒适化、轻薄化的方向发展。在此基础上,选择何种材料、织物形式及配置方式、织物组织、结构参数及后整理方法等,已成为防弹背心内外层织物设计与开发的核心。

        舒适性是防弹衣的一项重要指标,包括透湿、透气、柔软、轻便等。通过合理的结构设计,软体防弹衣可以具有较好的柔软性和轻便性。想要同时兼顾舒适性,就要保证防弹衣重量轻、穿着舒适且具防护性两者之间的平衡。其使用的防弹材料、防护面积以及结构设计直接决定了防弹衣的防护能力、重量、穿着服用和性能。

        1 防弹衣用纤维及材料

        纤维及材料是防弹衣减重和服用性能提高的首要因素,其透气性能和柔软性能的大幅度改良有助于穿着者在遇到危险时能迅速反应和移动。目前防弹服朝着更好的防护纤维和更低的成本发展,研发新材料、应用新科技是其研制的动力。提高军用防弹衣防护性能、减轻重量的决定性因素是防弹材料,因此选用成熟的优质高强度且柔软质轻的材料是实现减重和保证舒适性的重要途径。

        2O世纪50年代,美军首先试验使用锦纶这类软质合成纤维材料制作防弹衣,但是一件锦纶防弹衣重量在4.5kg以上,对活动机能性有很大的阻碍;美国杜邦公司于60年代中期研制出的一种合成Kevlar纤维,抗张强度极高,是锦纶纤维的2倍多,而吸收弹片动能的能力是锦纶的1.6倍,制成的防弹衣重量比锦纶防弹衣轻,防弹性能好,因此在国家军队得以广泛应用;90年代以来,我国防弹衣研究机构又在国内率先引进国外新材料和技术,研制出新一代非金属芳纶防弹衣,质轻、柔软、舒适且防弹级别高。

        1.1 新一代Kevlar芳纶纤维

        杜邦Kevlar AS450X是解决多重安全威胁的新一代芳纶产品,特别为穿用者更舒适地穿戴防弹衣而研制。该产品开发了集防刺、防钉和防弹功能于一身的防护装备,在提供很好的舒适性的同时,还表现出显著的机动性,特别是在巡逻车辆上驾驶时。

        杜邦KevlarXPS104增强了防弹性,减缓了背面变形,即使在炎热的气候下也不例外。根据市场研究,防弹衣还需有防水性能。杜邦Kevlar XPS104面料即使在潮湿的条件下依然拥有极好的防弹性和舒适性,特别适用于热带气候或极度潮湿的场合。

        1.2 超高分子量聚乙烯纤维

        20世纪90年代美国实现了商品名为“Spectra”的超高模量聚乙烯纤维的商业化生产,它具有比Kevlar更优越的性能、强度和更高的模量,是其分子量在100~5OO万的聚乙烯所纺出的纤维。在保持与Kevlar制品相同防护性能的条件下,由这种纤维材料制成的防弹头盔和背心重量可减轻1/3。超高模量聚乙烯纤维耐化学腐蚀且耐磨;密度很低,有着优异的力学性能和能量吸收性能;该纤维密度在所有高性能纤维中最小,可以大大减轻工作人员的体力强度。

        1.3 蜘蛛丝

        蜘蛛丝是目前世界上最坚韧且具有弹性的纤维之属于生物蛋白纤维。它有着自然界产生的最好的结构,并具有很高的防断裂强度和优良的综合性能:质地坚韧,具有强度大、弹性好、柔软、质轻等优点,且可生物降解和回收。它在航空航天(如飞机和人造卫星的结构材料、复合材料、宇航服装)、军事(如坦克装甲、防弹衣、降落伞)、建筑(如桥梁和高层建筑的结构材料)、医学(如人造关节、肌腱、韧带)等领域表现出了广阔的应用前景。

        1.4 碳纳米管

        碳纳米管为空石墨圆柱体,只有一个原子厚度。它与高分子材料结构相似,但其稳定性要高很多。若

        将其制成复合材料,可使其具有良好的强度、弹性、抗疲劳性和各向同性的特点;可提升超高分子量聚乙烯的工程特性,加强其散热力,利用这类材料制成的防弹衣不但可以承受更大的冲击力,且更透风、轻巧、舒适。

        随着生物技术的进步,像蜘蛛丝这样坚韧的材料有可能通过转基因或合成的方法得以大量生产。纳米技术的发展也将使柔韧、坚固的防弹材料的开发成为可能。目前,常用作复合材料基体的高性能纤维主要有碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维等。这些高性能纤维与纤维增强树脂能复合出性能更加优越的防弹复合材料,具有质量轻、柔韧性好、防护效果好等优点。

        1.5 剪切增稠液体防弹服

        剪切增稠液体STF防弹衣是一种由聚乙二醇和硅微粒合成的超浓液体。它被灌装在传统防弹衣的夹层内或涂抹在纤维表面,当子弹或弹片打到这种防弹衣上时,里面的液体会在射弹的巨大压力下瞬间转化为一种硬度极高的物质,形成一块“盾牌”;一旦压力消失,便又迅速还原为液体状态。STF防弹服的防护可靠性大大增强,重量轻于目前产品,生产成本大幅度降低,具有很好的发展前景。

        2 织物组织及织造工艺

        不同的织物结构有着不同的防弹性能,合理安排织物的组成结构可以大大提高防弹衣的性能,甚至达到舒适性和减重的功效。减轻防弹衣重量,提高防护能力的另一个重要途径是不同防弹材料的优化组合。

        纤维复合材料在防弹领域的应用发展越发广阔,高性能纤维常以机织物、无纬布等形式存在,且原料、组织结构及制备工艺、层合方式等因素对于材料的防弹性能具有较大的影响。目前国内防弹衣制作主要是通过应用高模量高性能的芳香族聚酰胺纤维和高分子聚乙烯纤维作为制作材料,通过高密机织物织造出单层织物。

        材料的结构设计一般是指多层结构材料的混杂铺层设计、三维立体结构设计和特殊性结构的设计等EH叫,包括材料层厚度的控制、材料组成次序和连接方式的设计等。

        2.1 二维织物层合材料二维织物多采用紧度较高的平纹组织,也有尝试纱罗组织。二维层合工艺相对简便,目前研究人员可以通过研究复合层的受冲击情况,对各复合层的角度进行改进从而验证其防弹性能有无提高,为在结构方面的改进提供科学的理论依据E¨。二维机织物组织结构柔软,穿着舒服,在高效防弹的同时提高了防弹衣的舒适性。

        2.2 三维织物增强材料

        三维复合织物,如三维蜂巢织物或三维柱形复合织物,在不减弱防弹能力的前提下,通过高强度树脂的内部填充(中心仍然采用中空)来减少防弹衣主体织物的层数。

        学者杨丹发明的一种三维立体防弹衣用面料颇受好评,该面料为三维防弹面料,其组织结构为三维角联锁机织物结构,经纬纱材料都为芳纶。其可塑性是传统二维面料完全不能比拟的,它能形成55-75mm的弯曲深度,是传统二维防弹面料的3倍。该立体防弹衣提供防弹?;さ耐?,穿着舒适、符合女性身体曲线、环保及无污染、对人体无害。

        2.3 无纬布组合

        无纬布是采用高强高模聚乙烯纤维为基材,经高科技设备均匀铺丝,使纤维单向平行排列,并以高强弹性体树脂浸渍涂胶和薄膜粘合,再经0°/90°。的双正交复合层压而成。

        有学者将超高分子量聚乙烯和芳纶纤维平行排布,使用时,将单向带层合预浸料按不同的方向叠合在一起,加以固化。该核心材料质轻、能抵御子弹和刀具的巨大冲击力且能减少对人体的伤害。

        TeijinAramid公司已于2013年推出Twaron单向层合板UD22用于防弹衣,具备柔软性、低重量且增强?;さ淖饔?。

        学者陈虹等通过实验研究优化了防弹芳纶无纬布的织造工艺,调整了无纬布用胶黏剂的成分及其固含量,确定了最佳配方,提高了无纬布的防弹性能,并通过改变织造设备的工艺参数降低了无纬布面密度,实现相应防弹衣制品的轻量化与舒适性目标。

        2.4 织造工艺

        结合二维织物层合材料、三维织物增强材料和无纬布,设计不同组合、角度等复合形式,有利于提升材料的柔韧性,减轻重量,有效缓解防弹衣柔软度不够、厚重等缺陷。

        美国采用了一种新型编织法——多轴向铺层系统,其特点是使铺层结构每层中的每根纱线配置到精确的位置上,以实现给定方向的最大强力,或在各个方向上都有相同的强力。采用这种方式纺织成的防弹衣面料,质地更柔软、重量更轻、防弹能力比普通机织面料明显提高。

        防弹衣采用间隔织物作为里料,改良后的防弹衣重2.16kg,比改良前轻了0.13kg。间隔织物具有极好的微气候效应,更有助于热湿的传导,人体穿着改良后的防弹衣在动态下,热湿传导性、透气散热性优于改良前的防弹衣,人体穿着更舒适。间隔织物是由3部分组成的,如果贴近皮肤的那一层用吸湿性比较好的纤维来编织(如棉、麻等),则防弹衣的舒适性会有很大的提高。

        3 服装结构

        服用效果不仅取决于材料的性能,而且还受构造的影响,诸如纤维的松紧程度、编织工艺。随着科学技术的进步,警用、军用防弹衣从硬体到轻体,并在保证其达到一定的防弹性的同时追求轻便、舒适。防弹面料不再是防弹织物(或无纬布)的简单叠加。

        采用合理的结构及外形设计,实现重量的均衡分 配也是提高穿着舒适性的途径之一。防弹背心合身程度、背心性质与服装舒适度之间存在重要的关联,应注意防止防弹背心上移或者变形,并考虑向外背心套中插入块头更小、柔韧性更强、透气性更好的织物以提高其舒适度。对于刚度较大的陶瓷复合插板,采用双曲面设计较之单曲面设计更能与人体躯干曲线契合,因而随体性和舒适性得以改善。对于前后分体的背心式防弹衣,其重量主要由肩部承担,而士兵的许多战术技术动作需要肩部及上肢完成,更加重了肩部的疲劳。这种情况在使用硬体插板时更为突出。

        在实践中,防弹背心(软体和硬体)会使用2种不同类型的防弹插板。有相关研究分析了该元素对防弹背心整体热湿舒适性的影响,同时借用PMV指数评估在不同活动水平下(代谢率不同)背心使用者的感觉?;诨竦玫氖菘梢酝贫戏赖承挠τ貌问谑裁捶段诘幕肪诚麓┳耪呤鞘媸实?。

        学者Mondehar设计了一种带背架式的防弹衣,通过背架将防弹衣的重量进行重新分配,将原来集中于肩部的重量分配到背部、腰部和骨盘等处。试验表明,重量分布均匀的防弹衣,可较明显地提高舒适感。

        轻型改进防弹衣采用护甲插入方式,将类似鞋底质地的聚合物膜套嵌入许多圆柱形小瓷块,代替了传统完整的一大块瓷质护甲。这些瓷块分摊枪击产生的能量,大大提高了防护性能,经此方法改良的防弹衣重量较改良前轻30%,很大程度上提升了防弹衣的服用舒适性。

        学者张克勤研发了一种高性能防弹衣,该防弹衣采用具有一定弧度的曲面结构的防弹块按照鱼鳞状排列形成放单层,软面材料缝制在防弹衣的前后片上。该防弹衣防弹块的曲面结构和鱼鳞状排列所形成的放单层有效地缓解了子弹对人体的伤害,相对于传统的防弹衣而言,其重量更轻,由于软面材料的应用,大大提高了其穿着舒适性。

        学者杜立伟研究了一种防弹衣叠层基材,包括基材的迎弹面和贴身面,其技术要点是:迎弹面采用超高分子量聚乙烯纤维无纬布,贴身面采用芳纶纤维无纬布。迎弹面有效地缓冲子弹对人体的冲击力,阻挡子弹对人体产生伤害;贴身层具有吸收子弹被阻挡而形成的震动波,避免对人体产生二次伤害。与同类产品相比,叠层基材以其整体重量轻、厚度薄、手感柔软等优异的性能被广泛应用。

        军用防弹衣要求便于穿脱和调节,在调节功能的结构设计上应尽可能简洁实用。因此,在保证连接可靠的前提下,尼龙搭扣被广泛地使用。在整体结构设计上,前后片分体式是军用防弹衣一个主要的结构形式。

        美军改进的PASGT采用独到的适体性设计,其背部的Kevlar防弹层分为4部分:上背部由相互叠合的3块防弹层组成,分别与下背部的另一块防弹层搭接。这一结构使防弹背心能够适应人体在做各种不同动作时所引起的体形变化,采用了弹性带和搭扣的垫肩使上臂的活动更为灵活。

        4 散热系统

        影响机动性能的因素主要是军用防弹衣的重量、防护面积及组件的结构设计。防弹背心属于功能性服装范畴,其主要起到覆盖和?;さ淖饔?,借助专用材料以增强其高防护性能,追求高防弹能力和大防护面积的过程中必然导致防弹衣重量的增加,从而牺牲机动性能。防弹衣通常不透气,易造成身体热湿积蓄。结构设计不合理,或整体刚度过高将会限制士兵行动的自由度和灵敏度,不仅影响舒适感,同样也影响机动能力和执行工作的有效性,使他们处于危险的境地。

        美国Point Blank防弹衣研究人员认为“散热是防弹衣穿着舒适性的主要问题”,因此他们对防弹衣的散热性能,即维持人体舒适感的热湿交换平衡条件非常重视。公司研究开发的CCI系统Transpor防系统和白色的CoolMaxT恤都是为了减轻防弹衣产生的热湿负荷,改善(人一衣)系统的微气候。

        波兰等国家针对提升防弹背心舒适性所开展的研究旨在通过减少防弹背心的重量、穿着特殊内衣改善汗液转移性能,或背心内衬应用吸湿快干的材料来提高背心使用者的舒适度。这种方法的应用效果有限,使用防水透气内衬可以大大提高静态模式的舒适度,但在运动模式下作用不明显。防水透气面料可以帮助分散运动中产生的热量,整体提高防弹背心的舒适度。

        通过附加冷却装置也可以起到很好的散热效果。自动调温纤维/纺织品通过纺织品表面或纤维内含有的相变材料可以达到调节温度的作用。这类材料能够根据外界环境的变化,在一定范围内自由调节纺织品的温度,比一般常规织物更具舒适性。应用相变自动调温的智能纺织品广泛应用在航空和军事等一些特殊的领域中。

        5 展望

        防弹材料的升级是实现改良防弹衣服用性能的主要途径,从目前主要防弹材料品种的最新进展来看,强度较高、细度更细的轻薄型防弹织物更有利于实现上述目标。防护效果不仅取决于材料的性能,还受织物组织、织造工艺和服装结构等元素的影响。

        舒适性会受到个体差异(心理因素、生理因素)和外部环境的影响,因此描述服装的舒适性存在着一定的困难。目前涉及防弹衣舒适性的大多数文献仅提供志愿者穿着后的测试数据,其中分析了相关生理参数,但针对如何改良其舒适性的文献比较少见。就目前的防弹衣而言,虽然具有较好的防弹性能,但是其重量和穿着舒适性严重影响了使用者的活动灵活性和综合作战能力??梢运捣阑ば杂牖阅苁蔷梅赖律杓扑媪俚闹饕?,因此在增强防护能力的同时,减轻重量、提高机动性能是急需解决的难题。

        随着科学技术的进步、新型防弹材料的出现、织造工艺的改进和防弹衣市场的扩延,防弹衣必将会朝着人性化设计理念即轻便、舒适这一方向发展。

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    来源:纺织科技进展责任编辑:黄强       来源:纺织科技进展责任编辑:黄强
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